Análise e Visualização de dois sistemas meteorológicos utilizando o
software 3D Weather
ARTHUR ROSA FERNANDES (arthur-grb@hotmail.com), DAIANE DE FÁTIMA CARDOSO
(daya.007@hotmail.com),
MARIA FERNANDA COMIN TOLEDO DOS SANTOS (mafects@gmail.com);
MARINA INAÊ CIBILS OLIVEIRA (marinainae@hotmail.com).
Resumo: Frequentemente a região Sul devido sua localização latitudinal sofre maior influência dos sistemas de latitudes médias, sendo os sistemas frontais os principais causadores de chuvas durante o ano, onde a dinâmica das massas de ar, temperaturas e umidades diferentes geram fenômenos frequentes de precipitações, causadas também pela ASAS (Alta Subtropical do Atlântico Sul), devido a convergência de umidade marítima. Esse artigo tem como objetivo, visualizar, analizar e comparar através de duas ferramentas computacionais (Grads e Weather), um evento meteorológico que causou fortes precipitações, ocorrido no ano de 2008, devido a uma alta pressão semi-estacionária localizada no Atlântico Sul entre os dias 19 até o fim de novembro causando desastres, principalmente no RS e SC.
Palavras Chave: Sistema de Visualização Meteorológica, Sofwares em 3D.
Abstract: Often the South because of its location latitude suffers greater influence of midlatitude systems, frontal systems being the main cause of rainfall during the year, where the dynamics of air masses, temperatures and humidities different phenomena generate frequent rainfall, also caused by WINGS (South Atlantic Subtropical High) due to moisture convergence sea. This article aims, visualize, analyze and compare across two computational tools (Grads and Weather), a meteorological event that caused heavy rainfall, occurred in 2008, due to a semi-stationary high pressure located between the South Atlantic 19 days until the end of November causing disasters, especially in RS and SC.
1. INTRODUÇÃO
É de senso comum que as condições meteorológicas interferem diretamente na vida humana, considerando tanto as atividades econômicas ou, simplesmente, os afazeres cotidianos. Como exemplo, na agricultura, a previsão do tempo tem a incumbência de divulgar informações de quando inicia o período chuvoso ou de seca, fatores que determinam a época do plantio e da colheita das lavouras. As catástrofes naturais (como furacões e enchentes) podem ser previstas. Desse modo, as autoridades
podem implantar medidas preventivas que poderão amenizar os problemas. Nos transportes marítimos e aéreos, os serviços meteorológicos servem para estabelecer rotas alternativas, de modo que a viagem se torne mais segura.
A região Sul do Brasil é frequentemente afetada por adversidades atmosféricas, sendo a passagem de frentes frias e ciclones tropicais os principais causadores de mudança de tempo na região. Segundo Saraiva (2006), um sistema frontal é caracterizado por fortes convecções que geram nuvens com grande desenvolvimento vertical, apresentando ventos fortes e alto índice de precipitação. No Brasil as frentes frias atingem a Região Sul e Sudeste durante o ano inteiro, sendo que cerca de 3 a 4 frentes frias atuam em todos os meses. Esse número é ligeiramente maior durante a primavera (Rodrigues, 2003). Sua passagem está associada ao aumento de nebulosidade, a presença de chuva, e queda bruscas na temperatura do ar, tendo duração em média de três dias, e seu deslocamento apresenta uma trajetória normalmente de sudoeste para nordeste. Ciclones são sistemas meteorológicos de baixa pressão associados a frentes frias com circulação ciclônica. Este sistema está associado ao movimento vertical ascendente do ar, o que resulta em divergência em altos níveis da atmosfera. Formam-se geralmente em regiões de clima tropical e equatorial em áreas mais aquecidas do oceano, e sua passagem apresenta-se acompanhada de fortes chuvas (tempestades), devido à ascendência do ar que por ser mais quente se eleva, dando origem às nuvens cumulunimbos (CBs).
Atualmente, os estudos meteorológicos para a previsão na ocorrência de eventos extremos de precipitação e mudanças bruscas nas condições de tempo vêm crescendo consideravelmente em todo país e no mundo, onde, torna-se cada vez mais necessário se obter informações sobre as características físicas da atmosfera e dos sistemas que interferem ou causam esses tipos de fenômenos.
A utilização de um software com visualização tridimensional possibilita a integração dos dados meteorológicos em tempo “quase real” e a visualização, em vários planos barométricos da atmosfera, das variáveis meteorológicas em uma única análise. Dentre as características e vantagens que um software 3D, podemos observar: (i) variáveis dos dados observacionais podem ser plotadas individualmente ou na sua totalidade, extraindo-se um subconjunto de dados (tempo, espaço e parâmetro); (ii)
perfil vertical dos campos de ar superior; (iii) a evolução temporal de um dado de previsão, em horários selecionados, sobre uma determinada coordenada, e (iv) campos de vento a partir dos componentes escalares zonal e meridional (coordenadas cartesianas) ou intensidade e direção (coordenadas polares).
O VIS5D (Referencia) foi o primeiro sistema a produzir a visualização em três dimensões a partir de um conjunto de dados volumétricos. A utilização deste sistema permitiu ter-se uma nova visão do comportamento das diferentes variáveis físicas presentes nos modelos de clima e tempo nos domínios do espaço e tempo. Este sistema de visualização consiste de um programa computacional para visualização de dados gerados por fontes como modelos numéricos de tempo e clima. O sistema funciona com uma grade numérica retangular de cinco dimensões, na qual os dados são números reais expressos na forma de pontos, e distribuídos em três dimensões espaciais (latitude, longitude e altura), uma dimensão temporal e uma dimensão para enumeração de variáveis físicas. O Painel de Controle e a Janela 3D são visualizados simultaneamente em duas janelas. O Painel de Controle responde pelas principais funções do programa como, por exemplo, execução de scripts, visualização de trajetórias e sondagens, seleção de variável e tipo de visualização, ativação/desativação de topografia, relógio, animação e etc. A Janela 3D é responsável pela apresentação dos dados. O software apresenta também alguns programas utilitários como, v5dinfo: mostra informações referentes ao arquivo v5d, exibe informações estatísticas a respeito dos arquivos permite a alteração do cabeçalho do arquivo, como projeção do mapa, sistema de coordenada vertical e o nome de variáveis, permite adicionar vários arquivos para gerar um único arquivo. O programa computacional VIS5D necessita de uma biblioteca gráfica para seu funcionamento, na qual é responsável pela imagem dos dados meteorológicos.
Desde então, foram desenvolvidos outros softwares meteorológicos para visualização em 3D. Um desses softwares é o IDV, consiste em um programa em linguagem JAVA, que permite a analise e visualização tridimensional da atmosfera e fenômenos meteorológicos que convencionalmente são analisados e representados em duas dimensões, além de possibilitar a integração simultânea de dados meteorológicos de diferentes provedores. Reúne a capacidade de exibir e trabalhar com imagens de satélite, dados em grade (por exemplo, a saída do modelo numérico de previsão do tempo), as observações de superfície, sondagens de balão, WSR-88D Nível II NWS e
dados RADAR Nível III, e NOAA Nacional Profiler rede de dados , tudo dentro de uma interface unificada. Ele também oferece uma vista 3-D do sistema da Terra e permite aos usuários de forma interativa, a criação de cortes de secções transversais, perfis, animações e conjuntos de dados multidimensionais. A biblioteca de software IDV pode ser facilmente utilizada e estendida para criar aplicativos personalizados de geociências além do reino da ciência atmosférica.
Os pesquisadores, estudantes, meteorologistas, não só serão capazes de visualizar as informações de uma maneira nova, mas também de mesclar e analisar vários conjuntos de dados para estudar semelhanças nas estruturas, formação e caminho de tempestade em condições meteorológicas severas dentre outros diversos fenômenos, fazendo previsões mais precisas.
Czarnobai et al. (2005) realizaram um estudo da passagem de um sistema frontal através da visualização em 3 dimensões e obtiveram como as principais vantagens da forma de visualização tridimensional , a variedade de cortes e as perspectivas para análises das variáveis meteorológicas dos planos barométricos. A utilização de gráficos em 2D e 3D para visualização do comportamento das variáveis como gradiente de temperatura, convergência do vento, velocidade vertical do vento, umidade relativa (UR), ao longo do sistema frontal possibilitaram fazer análises eficientes e objetivas.
Recentemente foi desenvolvido o software Weather, que é um sistema de visualização desenvolvido pela Universidade Federal de Santa Catarina juntamente com os pesquisadores da Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina/ Centro de Informações de Recursos Ambientais de Hidrometeorologia de Santa Catarina (EPAGRI/CIRAM). O software Weather foi desenvolvido com o propósito de servir como instrumento de pesquisa para análises de casos de eventos meteorológicos pré-estabelecidos. A análise do sistema meteorológico pelo software proporciona uma visualização em três formas, sendo elas, (corte, isosuperfície e volume), e em dezenove níveis verticais, além de permitir a integração de variáveis.
Este trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade de visualização do software 3D Weather para um caso selecionado no ano de 2008, quando comparado ao software 2D Grid Analysis and Display System (GrADS) (Doty, 1995) .
2. DADOS E METODOLOGIA
Neste trabalho serão utilizados os softwares de visualização GrADS e o Weather. Os dados meteorológicos utilizados nesse estudo são obtidos a partir das análises e previsões do modelo regional ETA, com resolução espacial de 20 km, do Centro de Previsão de Tempo e Estudo Climático do Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais (CPTEC/ INPE). A figura 1 ilustra área de cobertura. Também serão utilizados os dados observados das estações de superfície do Instituto Nacional de Meteorologia ( INMET). A área de estudo compreende parte do sul da América do Sul, entre 45ºS a 15ºS e de 70ºW a 30ºW.
Fig.1 – Localização da área de estudo (15ºS a 45ºS ,70ºW a 30ºW).
Para avaliação do software Weather foram selecionados dois estudos de caso. O primeiro estudo está associado a atuação de um ciclone extratropical entre os dias 2 a 4 de maio de 2008, na região sul. O segundo caso selecionado ocorreu entre os dias 19 a 30 de novembro do mesmo ano, associado a presença de um anticiclone semi-estacionário, na região litorânea no estado de Santa Catarina.
Através do software Weather serão elaborados isosuperfícies, cortes horizontais e verticais, e perspectivas com o objetivo aprimorar a visualização dos sistemas
meteorológicos analisados, comparando com à forma tradicional de visualização em duas dimensões.
3. RESULTADOS
O evento de Santa Catarina proporcionou uma elevada quantidade de chuva, que devido à sua continuidade ocasionou enchentes e diversos deslizamentos sobre as encostas a partir do dia 19 até o fim de novembro. Esta situação teve início com o posicionamento e a forte intensidade do sistema de alta pressão semi-estacionário do Atlântico Sul, acompanhado de um vórtice ciclônico em altitude, por vários dias, próximo à costa sul brasileira. A maior intensidade foi vista entre 21 e 24 com precipitação que ultrapassou 600 mm em algumas cidades do vale do Itajaí. As chuvas causaram 133 mortes e atingiram mais de 60 municípios em Santa Catarina. (Silva Dias et. al., 2009)
Pela figura 2 é possível analisar a atuação da circulação marítima no litoral de Santa Catarina associada à presença da Alta Subtropical do Atlântico Sul (ASAS), que predomina sobre a Região Sul do Brasil. Além disso, verifica-se a presença de um sistema frontal localizado sobre o norte da Região Sudeste e sul da Região Nordeste do Brasil. Esse aporte de umidade contribui com os altos índices pluviométricos.
FIGURA 2 – Imagem do satélite GOES-10 de 12Z do dia 21 de novembro de 2008, no canal do vapor d´água.
A figura 3 mostra o campo de pressão ao nível médio do mar para o período analisado. Observa-se o predomínio da ASAS (Alta Subtropical do Atlântico Sul) sobre o sul do Brasil, com seu centro na região sul do Oceano Atlântico. Na costa leste de Santa Catarina as pressões variam entre 1022 e 1024 hPa e no oeste do estado se observa uma redução da pressão, variando entre 1018 e 1020 hPa. Associado a esse sistema, os ventos predominam de direção nordeste em todo o estado de Santa Catarina.
FIGURA 3 – Pressão Reduzida ao Nível Médio do Mar (hPa) para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
Pela análise da figura 4 sobre a costa catarinense, verifica-se que o movimento vertical ascendente em 500 hPa (Fig. 4a), associado a forte instabilidade (acima de 600 J/Kg), principalmente na região oceânica (Fig. 4b), proporciona a produção de vorticidade ciclônica próximo a superfície (termo adiabático da Teoria de Sutcliffe). Além disso, a atuação da circulação marítima contribuiu para os altos índices pluviométricos registrados no período. No interior do estado, apesar de também se observar movimento ascendente do ar, há predominância de estabilidade na região. Esse fato contribui com a identificação do anticiclone e a ausência da precipitação.
(a) (b)
FIGURA 4 – Velocidade vertical ômega (Pa/s) em 500 hPa (a) e Energia Potencial Convectiva Disponível (CAPE) (J/Kg) (b) para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
A figura 5 mostra o campo de divergência de massa em 850 hPa (Fig. 5a) e o vento horizontal em 500 hPa. (Fig. 5b). Apesar de não ser observada claramente a convergência do ar na costa leste do estado, principalmente no vale do Itajaí, esta situação associada ao vórtice ciclônico em médios níveis atmosféricos, favoreceu a instabilidade na região. No oeste do estado predominou a ascendência do ar com ventos de maior magnitude, mas com predomínio da estabilidade.
(a) (b)
FIGURA 5 – Divergência de massa (1/s) em 850 hPa (a) e vento horizontal (m/s) em 500 hPa (b) para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
A figura 6 mostra as seções horizontal e vertical da umidade relativa do ar (Fig. 6a) e velocidade vertical (Fig. 6b). Pela figura 6a é possível identificar um região com ar saturado (valores altos de umidade relativa) ao longo do litoral de Santa Catarina, se estendendo desde a superfície até aproximadamente 850 hPa. Essa região está associada ao movimento vertical do ar (Fig. 6b), que contribuiu para o alto índice de umidade, principalmente no litoral norte e em menor escala no litoral sul, ocasionando as fortes chuvas. Além da superfície, a umidade também está presente em uma camada rasa da média atmosfera, entre 600 hPa e 500 hPa, visível como um vórtice ciclônico, permitindo um suporte maior de umidade naquela região.
A figura 7 mostra a isosuperfície de UR (95%) e a velocidade vertical ao longo da superfície. A umidade é visível como uma grande barreira, se estendendo por quase todo litoral catarinense, tendo relação direta com o movimento ascendente do ar, onde os locais com maiores valores de velocidade vertical são consequentemente os mais úmidos.
(a) (b) FIGURA 6 – Seções horizontal (plano x,y) e verticais (planos x,z e y,z) dos campos de
umidade relativa do ar (a) (%) e velocidade vertical (b) (m/s), ao longo do Estado de Santa Catarina, para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
FIGURA 7 – Isosuperfície do campo de umidade relativa do ar (em 95%) e velocidade vertical (b) (m/s), ao longo dessa superfície, para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
4. CONCLUSÃO
A partir da análise dos resultados, conclui-se que o software Weather serviu vantajosamente como ferramenta de pesquisa no caso de novembro de 2008, quando comparado ao Grads, pois permitiu a visualização do fenômeno por inteiro, em vários níveis e formas, integrando as variáveis, permitindo assim, uma maior compreensão do sistema e suas diversas variações.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à todos os nossos professores da Meteorologia do Instituto Federal de Santa Catarina, e ao nosso orientador Mário Quadro por nos proporcionar esse novo conhecimento. Nossos sinceros agradecimentos também ao Carlos Eduardo Araújo pelas suas preciosas contribuições ao grupo.
REFERÊNCIAS
Almeida, E. S.; et al. Visualização dos modelos e global do CPTEC/INPE através do sistema VIS5d. Congresso Brasileiro de Meteorologia. Disponível em: http://www.cbmet.com/cbm-files/13-54c633268ed2a0c9e616230fcbc9336d.pdf. Acesso em 25/11/2012.
CZARNOBAI, A. F.; COMBAT, D. A. A.; BORTOLOTTO, J.; SANTIS, R.F. Sistemas frontais, visualização e análise: estudo de caso do dia 24 de agosto de 2005 Projeto Integrador do Curso Técnico de Mteorologia. IFSC, 2005.
Doty, B. The Grid Analysis and Display System. Distribuído via Internet. http://grads.iges.org/grads. 1995
Silva Dias, M. A. As chuvas de novembro de 2008 em Santa Catarina: um estudo de caso visando à melhoria do monitoramento e da previsão de eventos extremosDisponível em: <http://www.cbmet.com/cbm-files/14-1f6f7c137cf314613fbd123c387a4871.pdf>. Acesso em 18/02/2013.
Saraiva, Ivan; Foster, Paulo Roberto Pelufo. ANÁLISE DA PASSAGEM DE UM SISTEMA FRONTAL SOBRE A CIDADE DE PORTO ALEGRE/RS – ESTUDO DE CHUVAS INTENSAS. Anais do XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2006.
